X80钢级热轧板卷及螺旋焊管拉伸性能统计分析

李建一，王 旭，孙灵丽，宫 庆，石国红

（1.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司 华油钢管公司，河北 青县062658；2.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司研究院，天津300457）

0 前 言

螺旋焊管制造过程中，同时存在着板卷形变强化和包申格效应两种现象，二者的综合作用使板卷在制成钢管后的拉伸性能发生明显变化[1-5]。研究分析制管过程中拉伸性能的变化规律，合理确定板卷技术指标，一方面可避免出现批量钢管拉伸性能不合格，另一方面可避免出现因指标过高而造成技术浪费，对于控制螺旋焊管质量具有重要意义[6-7]。

笔者对工业化大批量生产过程中不同规格、不同厂家生产的X80钢级热轧板卷及其制成的螺旋焊管进行了拉伸性能试验，并对试验结果进行了统计分析，旨在揭示X80板管性能差异，为X80钢级热轧板卷订货和出厂质量控制提供参考。

1 拉伸性能统计

1.1 板卷拉伸性能

对板宽为1 550mm，壁厚分别为18.4mm，17.5mm，16.5mm，15.3mm和12.8mm的X80钢级热轧板卷进行拉伸性能试验。拉伸试样从距板卷外圈约1.5 m、板宽1/2位置截取，取样方向与板卷轧制方向成30°角，采用圆棒试样，试样尺寸依据壁厚确定且与钢管拉伸试样相同，按照ASTM A370标准要求进行试验。不同规格、不同厂家生产的板卷拉伸性能统计见表1。

1.2 钢管拉伸性能

对规格φ 1 219mm×18.4mm，φ 1 219mm×17.5mm， φ 1 219mm×16.5mm， φ 1 016mm×15.3mm和φ 1 016mm×12.8mm的X80钢级螺旋埋弧焊管进行拉伸性能试验。试验均在静水压试验后进行，拉伸试样从距焊缝约180°管体横向位置截取，采用圆棒试样，试样尺寸依据管径和壁厚确定，按照ASTM A370标准要求进行试验。不同规格、不同原料厂家生产的钢管拉伸性能统计见表2。

1.3 板管性能差异

不同规格、不同厂家生产的X80板卷制管前后拉伸性能差异见表3。

2 分析与讨论

从表1～表3中可看出，所有规格、所有厂家钢管的屈服强度均高于板卷，最大的平均值提高了42 MPa，最小的平均值提高了2 MPa；各规格之间差值有所不同，最大的（壁厚16.5mm）平均值提高了28 MPa，最小的（壁厚15.3mm和12.8mm）平均值提高了11 MPa，各规格差值分布情况如图1所示；各厂家之间差值也有所不同，综合分析A厂家提高最多，而D厂家提高最少。同时可以看出，所有规格、所有厂家钢管的抗拉强度与板卷相比，最大的平均值提高了32 MPa，最小的平均值提高了-25 MPa；各规格之间差值有所不同，最大的（壁厚16.5mm）平均值提高了21 MPa，最小的（壁厚12.8mm）平均值提高了5 MPa，各规格钢管强度差值分布情况如图1所示；各厂家之间也存在差异，综合分析，A厂家提高最多，E厂家提高最少。综合以上数据，X80板卷制成钢管后屈服强度呈升高趋势，因规格、厂家和工艺的不同增加值有所不同；抗拉强度总体呈升高趋势，但增加量小于屈服强度，因规格、厂家和工艺的不同有所差异，存在部分降低的现象。

表1 X80钢级热轧板卷拉伸性能统计

表2 X80钢级螺旋埋弧焊管拉伸性能统计

表3 板管拉伸性能差异（平均值）

图1 板管强度差异

钢管与板卷之间的强度差异是形变强化和包申格效应综合作用的结果。有关研究指出[5-8]，当管线钢的屈服强度大于450 MPa时，包申格效应大于形变强化作用，使钢管强度降低更为明显。采用圆棒试样进行拉伸试验时，试样不需要压平，不存在包申格效应引起的强度损失，所测定的强度更能反应钢管的真实强度水平，因而圆棒试样在X70以上高钢级钢管中被推荐使用[9]。

X80板卷及钢管拉伸试验全部采用圆棒试样，不存在包申格效应的影响，引起板管性能差异的因素主要是形变强化。在螺旋焊管制造过程中，引起形变强化的过程主要是钢管成型；且由于在静水压试验后取样，静水压试验也会产生一定的形变强化作用。

X80管线钢的组织类型为针状铁素体。针状铁素体中存在着高密度的可移动位错，易于实现多滑移，这种组织特征使得针状铁素体管线钢具有连续的屈服行为，在成型变形过程中产生形变强化提高强度；同样，在静水压试验过程中钢管也会产生一定的塑性变形，进一步强化提高强度。文献[10]和文献[11]中研究了静水压试验对X80钢管强度的影响，其中屈服强度提高明显，抗拉强度略有提高，进一步证实了静水压试验对形变强化的作用。在成型和静水压试验的综合强化作用下，X80板卷制成钢管后屈服强度和抗拉强度均呈升高趋势；因材料的抗拉强度由材料形变强化的饱和值所决定，强度越高变化值越小，故抗拉强度的增加值小于屈服强度。

在上述5种规格钢管中，只有φ1 219mm×16.5mm钢管的静水压试验压力为100%SMYS，其余均为95%SMYS，故该规格钢管的屈服强度和抗拉强度增加值均高于其他规格钢管。同时，这也更进一步说明了静水压试验对钢管强度的影响。

板卷轧制过程中因表面冷却速度快，组织更加细小，故表层强度高于芯部；钢管成型和静水压试验过程中，钢管表面产生的塑性变形大于芯部，形变强化作用更加明显，故表层强度增加值大于芯部；因此，钢管表层强度大于芯部。在圆棒拉伸试样加工过程中，需要去除表层金属来获得标准尺寸的试样，故表层金属的去除量必然会对拉伸试验结果产生一定的影响。对于上述5种规格钢管来说，拉伸试样分别保留了原始壁厚的69%，72%，61%，58%和50%，除去进行100%SMYS静水压试验的φ1 219mm×16.5mm钢管，对其余4种钢管来说，屈服强度和抗拉强度增加值与拉伸试样保留原始壁厚的比例存在着一定的对应关系，即试样去除表层金属越少（保留原始壁厚比例越大），强度提高越大；试样去除表层金属越多（保留原始壁厚比例越小），强度提高越小。这种现象的存在，也许是部分规格、部分厂家板卷制管后抗拉强度出现降低的原因之一。另外，不同厂家生产X80板卷时采用的化学成分和轧制工艺也有所不同，也是造成制管后强度变化量不同的原因之一。

因制管后屈服强度和抗拉强度都呈升高趋势，且屈服强度增加值大于抗拉强度，故屈强比呈升高趋势。所有规格、所有厂家钢管的屈强比与板卷相比，最大的平均值提高了0.05，最小的平均值提高了-0.02，但综合分析整体升高。

从表1～表3中可以看出，所有规格、所有厂家钢管的伸长率与板卷相比，最大的平均值降低了2.0%，最小的平均值降低了-1.4%；各规格之间有一定差异，最大的（壁厚16.5mm）平均值降低了1.0%，最小的（壁厚15.3mm）平均值降低了0.4%，整体呈降低趋势，存在少量升高的现象，各规格板管伸长率差值分布情况如图2所示。板卷在制管过程中经过形变强化后强度提高，必然会造成塑性的降低，即伸长率的降低。从图1和图2中可以看出，强度的升高和伸长率的降低基本存在一定的对应关系，即强度提高越大则伸长率降低越多。

图2 不同规格板管伸长率差异

3 结 语

（1）X80螺旋焊管制造过程中，因采用圆棒拉伸试样不存在包申格效应的影响，在形变强化作用下，钢管屈服强度和抗拉强度均呈升高趋势，且屈服强度增加量大于抗拉强度，屈强比呈升高趋势，伸长率呈降低趋势。

（2）静水压试验对钢管的形变强化效果有一定的影响，试验压力越高钢管的强度增加值越大，形变强化效果越明显。

（3）圆棒拉伸试样加工过程中需要去除钢管表层金属，而表层金属组织更细小、强度高于芯部，且在制管过程中形变强化效果大于芯部，故表层金属去除越少（保留原始壁厚比例越大）强度越高，形变强化效果越明显，越能反应钢管的真实强度水平。因此，建议在制定拉伸试验方案时，应根据钢管管径和壁厚选择尽可能大的试样尺寸；必要时可协商确定API SPEC 5L[12]标准以外的试样尺寸，如φ10mm圆棒试样。

（4）各厂家因化学成分和轧制工艺不同，制管后拉伸性能变化情况也不相同，应研究分析各自板卷性能变化规律，合理制定板卷出厂技术指标。

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